CN113794984B - 多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，具有高吞吐量、高服务质量保障、高传输可靠性。本发明通过下述技术方案实现：在多站多机空地下行链路中，每个空中平台定位本平台实时位置，向地面站点分发本平台时隙需求及平台位置，并传递至网络管理站，地面站点将接收信号电平传递至网络管理站汇聚各空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部空中平台的平台位置信息，依据地面站点与空中平台的位置信息，执行空分复用时隙分配，为每个空中平台选择合适的时隙进行空分复用，生成时隙分配结果，将时隙分配消息动态分发至各地面站点，各地面站点解析时隙分配结果，依据信息交互流程转发至各空中平台，各空中平台解析时隙分配结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于多站多机空地下行链路的时隙空分复用(SDM)分配方法。
背景技术
随着航空技术的飞速发展及无人机性能的不断提升，无人机系统已经大量应用于各行各业领域。通过无人机多站多机系统，可以完成地面站对多架无人机的跟踪、控制、测量、定位，通过多地面站点接收提升空地下行链路的可靠性，从而有效扩大了系统作用范围，实现了遥控、遥测、高速数据传输、电子侦查信息高速下传等功能。通常情况下，无人机系统由地面站点、无人机空中平台两类平台组成。早期无人机系统主要以单站单机系统为主，地面站点作为系统的控制中心，以点对点方式进行地面站点与无人机之间的通信。单站单机无人机系统构成简单，但考虑到该系统作用范围较小、抗毁性差、系统容量低等缺陷，单站单机系统无法充分发挥无人机平台灵活高效的特点，系统应用范围受限。为了提升系统传输能力，扩大作用范围，无人机系统趋向于向多站多机系统发展。多站多机无人机系统由多架无人机空中平台、多个地面站点和一个网络管理站组成，地面站点与网络管理站之间通过地面有线网完成数据通信，地面站点与空中平台之间通过无线网络完成数据通信，并由网络管理站负责统筹调度无线网络资源，使得地面站点与空中平台高效共享空口无线资源。
多站多机无人机系统的应用主要依赖于良好的数据通信链路，其通过网络管理站进行无线网络运行管理，特别是空地下行链路的资源分配。多站多机无人机系统空地下行链路既要求数据传输具有高吞吐量，以支持大规模无人机系统的应用需求；也要求数据传输具有高可靠性，以便于地面站点准确评估无人机空中平台的飞行状态，并获取遥控、遥测等数据。因此，无人机空中平台、地面站点和网络管理站之间需要具备完善的信息交互流程、高效的资源分配算法，这也是需要解决的问题。现有技术解决上述问题的主要技术方案通常采用载波侦听型多址接入方法(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA):该方法中空中平台通过侦听无线信道上有无分组在传输的方式判断信道忙闲状态；如果信道中有其他分组在传输，则该平台需等到信道空闲后再传输；当信道空闲时，该平台以指定的概率传输，从而在一定程度上减少了多个平台的数据发送之间的冲突碰撞。该方法虽然操作简单，网络开销低，但是平台间的冲突碰撞使得网络资源利用率低，无法满足多站多机的高吞吐量需求和高可靠性要求。为了满足多站多机的高吞吐量需求和高可靠性，现有技术采用时分多址接入方法 (TimeDivisionMultipleAccess,TDMA):该方法中多站多机空地下行链路由网络管理站通过固定分配、均匀分配、等比例分配等方法进行时隙分配并分发至各空中平台。固定分配采用网络规划的方式确定时隙分配；均匀分配根据参与成员数目为每个成员分配等量的时隙；等比例分配根据各参与成员周期上报的时隙需求数目的比例分配等比例的时隙。该方法相比于上述CSMA方法具有较高的吞吐量和可靠性。但是，由于没有考虑时隙空分复用的优势、不同优先级的服务保障等内容，该方法在吞吐量、可靠性、服务质量保障等方面仍存在不足。定向天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，将射频信号能量集中在特定的窄波束内进行传输，能有效地减少对非波束方向内的其他节点的干扰，并能显著地增加数据传输速率和传输距离。空分复用是利用定向天线实现空间分割，每个波束可提供一个无其他用户干扰的信道。空分TDMA(STDMA)是基于TDMA的信道接入协议,结合空分复用增益，通过合适的时隙空分复用分配方法，允许在多个定向波束内互相不干扰的链路可以在相同的时隙内传输，从而增大频谱利用率，提高整个网络的吞吐量，降低消息传输时延。
目前常用时隙分配策略主要有如下分配方式：
(1)固定分配。固定时隙占用方式需要首先根据网络中成员的数量及不同成员对于时隙的具体需求，将时隙块划分为若干数量的子时隙块并将其分配给相应网络成员。完成上述分配后，网络成员将在各自所分配的子时隙块上来发送消息。如果没有消息发送，则这些时隙就被闲置。因此，这种分配方法信道利用率偏低，比较适合用于信道容量足够大或用户数量并不是很多的情况下。其优点是实现简单，且不容易产生多址干扰。
(2)动态分配。该方法是在综合考虑用户容量及业务量大小的基础上对时隙分配的数量进行实时动态调整。当某个成员所分配的时隙不能满足所需发送信息的要求时应，系统可视情为其追加时隙分配。当某个成员所分配的时隙仍有富余时，系统可释放该成员的部分富余时隙。此方法实现起来相对复杂，对于提高时隙资源利用率有较大改善。
(3)竞争分配。用户采用ALOHA方式对时隙争抢占用，如果发送信息的只有一个用户则可成功发送，反之将产生冲突。用户检测到时隙碰撞后，均在经过随机延迟后进行重发。争抢占用的优点在于简化了网络设计，同时有效降低了网络管理的负担，在成员数量众多但平均传输数据量较少时，可以有效节约系统容量。争抢占用的主要缺点是当多个成员同时竞争某一时隙时会产生发送碰撞，从而降低了网络的吞吐率，因此，该方法通常不适合于较大规模的网络使用。从应用角度来看，对于上述方法的选用主要参考指标包括网络吞吐量、消息传输时延、传输可靠性等。网络吞吐量和消息传输时延取决于时隙分配结果与消息传输需求的匹配程度，传输可靠性通过独占信道或预约占用信道的方式来保障。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有高吞吐量、高服务质量保障、高传输可靠性，高时隙资源利用率的多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，包括：通过多波束定向天线支持与多个空中平台进行并行通信的地面站点，与地面站点和各空中平台进行链路通信的协议处理单元，管理整个网络的网络管理站，其特征在于：在多站多机空地下行链路中，每个空中平台的需求评估单元周期性地根据消息优先级、消息到达率、队列缓存数据量、时隙传输能力、时帧结构信息评估本平台的基础时隙需求和总时隙需求，定位本平台实时位置，采用基于时分多址接入协议的多站多机空地下行链路，向地面站点分发本平台时隙需求及平台位置，并将时隙需求消息和平台位置消息依据信息交互流程传递至网络管理站，地面站点通过无线接收单元检测本站点接收各空中平台的信号电平，缓存接收到的消息，将接收信号电平依据信息交互流程传递至网络管理站；网络管理站汇聚各空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部空中平台的平台位置信息，通过需求汇聚单元统计各空中平台的时隙需求信息，通过空分复用评估单元统计地面站点与各空中平台的位置信息，以及各地面站点接收各空中平台的接收信号电平信息，时隙分配单元先依据地面站点与空中平台的位置信息，为各空中平台从全部地面站点中选择距离最近和次近的地面站点分别作为该平台的主用地面站点和辅助地面站点，再根据各空中平台的基础时隙需求，以均匀分布为目标按需分配各空中平台的基础时隙，然后执行空分复用时隙分配，按照调度增益从大到小的顺序，优先调度总时隙需求未满足的空中平台，再调度已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较低的空中平台，依次选择空中平台进行空分复用条件判决，为每个空中平台选择合适的时隙进行空分复用，生成时隙分配结果，将时隙分配消息动态分发至各地面站点，各地面站点解析时隙分配结果，依据信息交互流程转发至各空中平台，各空中平台解析时隙分配结果。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
具有较高的吞吐量：本发明以满足空中平台的数据传输需求并充分挖掘空分复用增益为目标，采用多波束定向天线支持与多个空中平台进行并行通信的地面站点，与地面站点和各空中平台进行链路通信的协议处理单元，管理整个网络的网络管理站，在时隙分配中，采用时分多址接入协议的多站多机空地下行链路，在地面站点通过多波束定向天线支持与多个空中平台的并行通信的基础上，根据各地面站与空中平台的平台位置、地面站点接收各空中平台的信号接收电平、多波束定向天线的波束增益等信息进行空分复用条件判决，支持多个空中平台以空分复用的方式在同一时隙内并行高速传输，空地下行链路吞吐量至少可以提高50％；具有较好的服务质量保障：本发明在多站多机空地下行链路中，每个空中平台的需求评估单元周期性地根据消息优先级、消息到达率、队列缓存数据量、时隙传输能力、时帧结构信息评估本平台的基础时隙需求和总时隙需求，定位本平台实时位置，采用基于时分多址接入协议的多站多机空地下行链路，向地面站点分发本平台时隙需求及平台位置，并将时隙需求消息和平台位置消息依据信息交互流程传递至网络管理站；在时隙分配流程中，先以均匀性为目标进行各空中平台的基础时隙需求，为高优先级的消息提供更好的服务质量保障。
时隙资源利用率高。本发明采用地面站点通过无线接收单元检测本站点接收各空中平台的信号电平，缓存接收到的消息，将接收信号电平依据信息交互流程传递至网络管理站；网络管理站汇聚各空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部空中平台的平台位置信息，通过需求汇聚单元统计各空中平台的时隙需求信息，通过空分复用评估单元统计地面站点与各空中平台的位置信息，以及各地面站点接收各空中平台的接收信号电平信息，时隙分配单元先根据各空中平台的基础时隙需求，以均匀分布为目标按需分配各空中平台的基础时隙，然后执行空分复用时隙分配，按照调度增益从大到小的顺序，优先调度总时隙需求未满足的空中平台，再调度已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较低的空中平台，从吞吐量、均匀性、公平性、多优先级保障等维度优化时隙资源的按需分配，时隙资源利用率高。
具有较高的可靠性：本发明在地面站点采用多波束定向天线，利用高增益、低旁瓣的方向图特性，提升消息传输可靠性，并降低被截获概率；在时隙分配中为各空中平台依据与地面站点的距离信息选择了主用地面站点和辅助地面站点，依据空分复用条件判决，为每个空中平台选择合适的时隙进行空分复用，支持多站多机空地下行链路的多站点分集接收，显著提供消息传输可靠性。
本发明适用于多站多机空地下行链路的时隙空分复用分配系统。
附图说明
图1是本发明多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统示意图；
图2是多站多机空地下行链路的时帧结构；
图3是图1的多站多机空地下行链路的信息交互流程图；
图4是图3中空中平台的时隙需求评估流程图；
图5是图3中网络管理站的时隙空分复用分配流程图；
图6是图5中空分复用条件判决流程图；
具体实施方式
参阅图1、图3。在以下描述的优选实施例中，一种多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，包括：通过多波束定向天线支持与多个空中平台进行并行通信的地面站点，与地面站点和各空中平台进行链路通信的协议处理单元，管理整个网络的网络管理站，其中：多站多机空地下行链路具有多个空中平台、多个地面站点和一个网络管理站。空中平台和地面站点分别采用全向天线和多波束定向天线进行无线通信，地面站点和网络管理站之间通过地面网络进行有线通信。
在多站多机空地下行链路中，每个空中平台的需求评估单元周期性地根据消息优先级、消息到达率、队列缓存数据量、时隙传输能力、时帧结构信息评估本平台的基础时隙需求和总时隙需求，定位本平台实时位置，采用时分多址接入协议的多站多机空地下行链路，向地面站点分发本平台时隙需求及平台位置，并将时隙需求消息和平台位置消息依据信息交互流程传递至网络管理站，地面站点通过无线接收单元检测本站点接收各空中平台的信号电平，缓存接收到的消息，将接收信号电平依据信息交互流程传递至网络管理站；网络管理站汇聚各空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部空中平台的平台位置信息，通过需求汇聚单元统计各空中平台的时隙需求信息，通过空分复用评估单元统计地面站点与各空中平台的位置信息，以及各地面站点接收各空中平台的接收信号电平信息，时隙分配单元先依据地面站点与空中平台的位置信息，为各空中平台从全部地面站点中选择距离最近和次近的地面站点分别作为该平台的主用地面站点和辅助地面站点，再根据各空中平台的基础时隙需求，以均匀分布为目标按需分配各空中平台的基础时隙，然后执行空分复用时隙分配，按照调度增益从大到小的顺序，优先调度总时隙需求未满足的空中平台，再调度已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较低的空中平台，依次选择空中平台进行空分复用条件判决，为每个空中平台选择合适的时隙进行空分复用，生成时隙分配结果，将时隙分配消息动态分发至各地面站点，各地面站点解析时隙分配结果，依据信息交互流程转发至各空中平台，各空中平台解析时隙分配结果。
空中平台主要包含按信息源模块、协议处理模块和无线传输模块顺次串联的三个功能模块，其中，协议处理模块包括定位单元、队列缓存单元、需求评估单元及无线信道接入控制单元；无线传输模块主要包含无线发送单元和无线接收单元；信息源产生和接收特定格式和优先级的消息发送到协议处理模块，定位单元提供本平台的实时位置信息，将生成的空中平台位置消息发送至队列缓存单元；队列缓存单元接收并缓存来自信息源的待发送消息、定位单元的平台位置消息和需求评估单元的时隙需求消息，并向需求评估单元提供不同优先级的消息到达情况和队列缓存情况，在本平台发送时隙将指定消息发送至无线信道接入控制单元；需求评估单元接收队列缓存单元提供的消息到达情况和队列缓存情况，获取来自无线信道接入控制单元的时帧结构和时隙传输能力信息，以时帧为周期评估本平台的时隙需求，生成时隙需求消息，并发送至队列缓存单元；无线信道接入控制单元根据时隙分配结果确定发送时隙与接收时隙，在发送时隙获取来自队列缓存单元的消息并发送至无线发送单元，在接收时隙获取来自无线接收单元的消息并发送至队列缓存单元进行消息接收处理。
地面站点主要包含地面站点信息源、地面站点协议处理模块、地面站点无线传输模块和地面站点有线传输模块四个功能模块，其中，地面站协议处理模块主要包含地面站点定位单元、地面站点队列缓存单元、地面站点有线信道接入控制单元及无线信道接入控制单元，地面站点无线传输模块主要包含地面站点无线发送单元和地面站点无线接收单元；地面站点有线传输模块主要包含地面站点有线发送单元和地面站点有线接收单元。地面站点信息源将产生和接收的特定格式和优先级的消息发送给地面站协议处理模块，地面站点定位单元提供本站点的实时位置信息，生成站点位置消息，并发送至队列缓存单元；队列缓存单元接收并缓存来自信息源的待发送消息、地面站点定位单元的站点位置消息，根据地面站点有线信道接入控制单元调度，将消息发送至地面站点有线信道接入控制单元，根据无线信道接入控制单元调度，将消息发送至无线信道接入控制单元；地面站点有线信道接入控制单元根据有线网络信道接入控制规则，在发送时刻，获取来自地面站点队列缓存单元的消息并发送至地面站点有线发送单元，在接收时刻，来自地面站点有线接收单元的消息并发送至地面站点队列缓存单元进行消息接收处理；无线信道接入控制单元根据时隙分配结果确定发送时隙与接收时隙，在发送时隙获取来地面站点自队列缓存单元的消息并发送至地面站点无线发送单元，在接收时隙获取来自地面站点无线接收单元的消息并发送至队列缓存单元进行消息接收处理。
网络管理站主要包括：与有线网络传输模块相连的网络管理模块两个功能模块；网络管理模块主要包含需求汇聚单元、空分复用评估单元、时隙分配单元和网络队列缓存单元；有线网络传输模块主要包含有线网络接收单元和有线网络发送单元；需求汇聚单元从网络队列缓存单元获取由地面站点转发的来自空中平台的时隙需求信息；空分复用评估单元从网络队列缓存单元获取来自地面站点的平台位置信息和空中平台接收电平信息，以及由地面站点转发的来自空中平台的平台位置信息，并根据各地面站点的平台位置、各空中平台的平台位置、地面站点接收各空中平台的接收信号电平与波束增益，以及时隙分配情况进行空分复用条件；对每个时隙依据平台位置信息、接收信号电平信息和波束增益信息进行空分复用条件判决；将判决结果送入时隙分配单元，时隙分配单元根据需求汇聚结果和空分复用条件判决结果进行时隙空分复用分配，生成时隙分配消息，并发送至网络队列缓存单元；网络队列缓存单元接收并缓存来自时隙分配单元的时隙分配消息、有线网络信道接入控制单元的消息等；有线网络信道接入控制单元根据有线网络信道接入控制规则，在发送时刻获取来自网络队列缓存单元的消息并发送至有线网络发送单元，在接收时刻获取来自有线网络接收单元的消息并发送至网络队列缓存单元进行消息接收处理。
参阅图2。多站多机空地下行链路采用时分多址接入协议，将时间分成若干个时帧，每个时帧长度为秒，包含个时隙，时隙索引号为0,1,2,3,...,。
参阅图3。在由空中平台、地面站点和网络管理站组成的多站多机空地下行链路的信息交互流程中，
步骤300，空中平台的需求评估单元评估本平台的时隙需求，生成时隙需求消息，发送至队列缓存单元，并转入步骤301更新平台位置；
步骤301，空中平台的定位单元更新本平台的实时位置，生成平台位置消息，发送至队列缓存单元，并转入步骤302消息发送；
步骤302，空中平台的队列缓存单元根据无线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时隙通过无线发送单元向地面站点分发本平台时隙需求消息及平台位置消息，转入步骤303地面站点接收消息；
步骤303，地面站点的无线接收单元接收来自空中平台的消息，检测本站点接收各空中平台的信号接收电平，生成信号接收电平消息，发送至队列缓存单元；将接收到的各空中平台的时隙需求消息及平台位置消息发送至队列缓存单元，转入步骤304发送消息；
步骤304，地面站点的队列缓存单元根据有线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时刻通过有线发送单元向网络管理站转发空中平台的时隙需求和接收电平信息，以及本平台与空中平台的位置信息，转入步骤305网络管理站接收消息；
步骤305，网络管理站的有线接收单元接收地面网消息，汇聚空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部平台的平台位置信息，通过有线信道接入控制单元发送至队列缓存单元，转入步骤306时隙分配；
步骤306，网络管理站的需求汇聚单元从队列缓存单元获取由地面站点转发的来自空中平台的时隙需求信息，空分复用评估单元从队列缓存单元获取来自地面站点的平台位置信息和空中平台接收电平信息以及由地面站点转发的来自空中平台的平台位置信息，时隙分配单元根据需求汇聚单元的需求汇聚结果和空分复用评估单元的空分复用条件判决结果进行时隙空分复用分配，生成时隙分配消息，并发送至队列缓存单元，转入步骤307发送消息；
步骤307，网络管理站的队列缓存单元根据有线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时刻通过有线发送单元向各地面站点发送时隙分配消息，转入步骤308地面站点接收消息；
步骤308，地面站点的有线接收单元接收地面网消息，将时隙分配消息发送队列缓存单元；队列缓存单元解析时隙分配结果后，将时隙分配结果发送至无线信道接入控制单元，并通过无线发送单元将时隙分配消息转发至各空中平台，转入步骤309空中平台接收消息；
步骤309，空中平台的无线接收单元接收消息，将时隙分配消息发送至队列缓存单元；队列缓存单元解析时隙分配结果，结束信息交互流程。
参阅图4。在空中平台的时隙需求评估流程中，
步骤400，空中平台以时帧为周期进行时隙需求评估，队列缓存单元统计上一时帧内各优先级q消息的平均到达率Aq，单位为字节/秒，优先级取值范围为1～Q，优先级1为最高优先级，优先级Q为最低优先级，并发送至需求评估单元，转入步骤401计算缓存数据量；
步骤401，空中平台的队列缓存单元计算队列缓存的各优先级消息的数据量Dq，单位为字节，发送至需求评估单元，并转入步骤402确定发送速率；
步骤402，空中平台的需求评估单元接收各优先级消息的平均到达率信息，从无线信道接入控制单元获取本平台的时隙传输能力R，单位为字节/时隙，并转入步骤403确定优先级门限；
步骤403，空中平台的需求评估单元根据初始加载信息确定需要基础保障的优先级等级门限Qth，转入步骤404评估时隙需求；
步骤404，空中平台的需求评估单元从队列缓存单元获取各优先级q的消息平均到达率 Aq和缓存数据量Dq，计算本平台需求的基础时隙数
和总时隙数/>
其中，/>
表示向上取整，Kq表示要求在Kq个时帧内发送完当前缓存的优先级q的消息，TF表示一个时帧的时间，单位为秒。
参阅图5。在网络管理站的时隙分配流程中，
步骤500，时隙分配单元为各空中平台选择主用地面站点和辅助地面站点，转入步骤 501统计基础时隙需求。地面站点的选择算法如下：
提取全部地面站点的平台位置信息；按照平台地址从小到大的顺序依次提取各空中平台i的平台位置信息；从全部地面站点中选择与空中平台i的距离最近和次近的地面站点分别作为该平台的主用地面站点Mi和辅助地面站点Si。
步骤501，需求汇聚单元统计空中平台的全部基础时隙需求，转入步骤502时隙数比较；
步骤502，需求汇聚单元判断全部基础时隙需求是否大于单时帧时隙数；若为“是”，则转入步骤504时隙需求排序；否则，转入步骤503时隙需求调整；
步骤503，需求汇聚单元等比例调整各空中平台k的基础时隙需求Nbase(k)，即
其中/>
表示向上取整，并转入步骤504时隙需求排序；
步骤504，时隙分配单元从需求汇聚单元获取各空中平台的基础时隙需求和总时隙需求，对各空中平台按基础时隙需求从小到大的顺序进行排序，并转入步骤505开始基础时隙分配；
步骤505，时隙分配单元逐一提取各空中平台k的基础时隙需求，转入步骤506提取空闲时隙；
步骤506，时隙分配单元提取当前时帧的空闲时隙索引号，构建空闲时隙向量VF，转入步骤507空闲时隙分段；
步骤507，时隙分配单元对空闲时隙向量VF按平台k的基础时隙需求进行分段，按照时隙索引号从小到大划分为Nbase(k)段，并转入步骤408基础时隙分配；
步骤508，时隙分配单元初始化Xk为Nslot维的全0向量，Xk(t)表示平台k是否占用时隙t，取值为0表示未占用，取值为1表示占用。时隙分配单元从空闲时隙向量的各分段中提取索引号最小的时隙t分配给平台k，设置Xk(t)＝1，转入509完成基础时隙分配判断；
步骤509，时隙分配单元判断是否完成所有空中平台的基础时隙分配；若为“是”，则转入步骤510初始化调度增益；否则，转入步骤505提取下一空中平台的基础时隙需求；
步骤510，时隙分配单元初始化各空中平台k的调度增益，转入步骤511逐时隙分配；调度增益定义为
其中，第一项表示总时隙需求未满足的平台具有较高的调度增益，第二项表示已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较高的平台具有相对较低的调度增益。
步骤511，时隙分配单元从时隙0到时隙Nslot-1逐时隙进行时隙分配，转入步骤512调度增益排序；
步骤512，时隙分配单元依据各空中平台的调度增益从大到小的顺序进行排序，转入步骤513逐平台分配；
步骤513，时隙分配单元逐一为各空中平台计算当前时隙的时隙分配，转入步骤514计算空分复用条件；
步骤514，时隙分配单元向空分复用评估单元输入待分配平台及当前时隙已分配平台的平台位置及接收电平信息，由空分复用评估单元完成空分复用条件判决后反馈至时隙分配单元，转入步骤515空分复用条件判断；
步骤515，时隙分配单元判断该平台在当前时隙是否满足空分复用条件；若为“是”，则转入步骤516为该平台分配时隙；否则，转入步骤517全部空中平台完成分配判断；
步骤516，时隙分配单元将当前时隙t分配给该平台k，设置Xk(t)＝1，转入步骤517全部空中平台完成分配判断；
步骤517，时隙分配单元判断是否所有平台在当前时隙的分配已完成；若为“是”，则转入步骤518更新调度增益；否则，转入步骤513提取下一空中平台；
步骤518，时隙分配单元根据最新时隙分配结果更新各空中平台的调度增益Pk，转入步骤519全部时隙完成分配判断；
步骤519，时隙分配单元判断是否所有时隙的分配已分成；若为“是”，则结束时隙分配流程；否则，转入步骤511提取下一时隙。
参阅图6。在网络管理站的空分复用条件判决流程中，
步骤600，空分复用评估单元从时隙分配单元获取已分配时隙t的空中平台集合Ki，转入步骤601主用地面站点空闲波束判断；
步骤601，空分复用评估单元判断平台n的主用地面站点Mn是否存在空闲波束；定义各地面站点的总波束数目为B，波束索引号为1,2,...,B；当空中平台集合Ki中，以地面站点Mn为主用地面站点或辅助地面站点的平台数目小于B时，地面站点Mn存在空闲波束；否则，地面站点Mn不存在空闲波束；若为“是”，则转入步骤602辅助地面站点空闲波束判断；否则，转入步骤607输出判决结果。
步骤602，空分复用评估单元判断平台n的辅助地面站点Sn是否存在空闲波束；当空中平台集合Ki中，以地面站点Sn为主用地面站点或辅助地面站点的平台数目小于B时，地面站点Sn存在空闲波束；否则，地面站点Sn不存在空闲波束；若为“是”，则转入步骤603预分配时隙；否则，转入步骤607输出判决结果；
步骤603，空分复用评估单元假设为平台n预分配时隙t，并在主用地面站点Mn和辅助地面站点Sn的空闲波束中分别选择波束索引号最小的波束分配给平台n，转入步骤604判决集合Ki中各成员的空分复用条件；
步骤604，空分复用评估单元判断集合Ki中各平台的空分复用条件是否满足；若为“是”，则转入步骤605判断平台n的空分复用条件；否则，转入步骤607输出判决结果；集合Ki中各平台k的空分复用条件判决算法如下：
定义
表示平台k到主用地面站点Mk的接收信号电平，单位为dBm；/>
表示平台j到平台k的主用地面站点Mk的接收信号电平，单位为dBm；；/>
表示平台k在主用地面站点Mk内使用的定向天线波束内的波束增益，单位为dB；/>
表示平台j在平台k于主用地面站点Mk内使用的定向天线波束内的波束增益，单位为dB；当平台j的平台位置位于该定向天线波束的旁瓣覆盖范围内时，平台j到主用地面站点Mk的信号将得到有效地抑制，/>
取值为负值；当平台j的平台位置位于该定向天线波束的主瓣覆盖范围内时，/>
取值为正值；
定义
表示平台k到辅助地面站点Sk的接收信号电平，单位为dBm；/>
表示平台j到平台k的辅助地面站点Sk的接收信号电平，单位为dBm；/>
表示平台k在辅助地面站点Sk内使用的定向天线波束内的波束增益，单位为dB；/>
表示平台j在平台k于辅助地面站点 Sk内使用的定向天线波束内的波束增益，单位为dB；当平台j的平台位置位于该定向天线波束的旁瓣覆盖范围内时，平台j到辅助地面站点Sk的信号将得到有效地抑制，/>
取值为负值；当平台j的平台位置位于该定向天线波束的主瓣覆盖范围内时，/>
取值为正值；空分复用条件要求在考虑定向波束增益后的有用信号的电平减去全部干扰信号电平的差值必须大于门限值Gth；当以下两个不等式均成立时，平台k满足空分复用条件；
步骤605，空分复用评估单元判断平台n的空分复用条件是否满足；若为“是”，则转入步骤606输出判决结果；否则，转入步骤607输出判决结果；平台n的空分复用条件判决要求在考虑定向波束增益后的有用信号的电平减去全部干扰信号电平的差值必须大于门限值，当以下两个不等式均成立时，平台n满足空分复用条件；
步骤606，空分复用评估单元输出平台n在时隙i 满足空分复用条件的判决结果；
步骤607，空分复用评估单元输出平台n在时隙i不满足空分复用条件的判决结果
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，包括：通过多波束定向天线支持与多个空中平台进行并行通信的地面站点，与地面站点和各空中平台进行链路通信的协议处理单元，管理整个网络的网络管理站，其特征在于：在多站多机空地下行链路中，每个空中平台的需求评估单元周期性地根据消息优先级、消息到达率、队列缓存数据量、时隙传输能力、时帧结构信息评估本平台的基础时隙需求和总时隙需求，定位本平台实时位置，采用基于时分多址接入协议的多站多机空地下行链路，向地面站点分发本平台时隙需求及平台位置，并将时隙需求消息和平台位置消息依据信息交互流程传递至网络管理站，地面站点通过无线接收单元检测本站点接收各空中平台的信号电平，缓存接收到的消息，将接收信号电平依据信息交互流程传递至网络管理站；网络管理站汇聚各空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部空中平台的平台位置信息，通过需求汇聚单元统计各空中平台的时隙需求信息，通过空分复用评估单元统计地面站点与各空中平台的位置信息，以及各地面站点接收各空中平台的接收信号电平信息，时隙分配单元先依据地面站点与空中平台的位置信息，为各空中平台从全部地面站点中选择距离最近和次近的地面站点分别作为该平台的主用地面站点和辅助地面站点，再根据各空中平台的基础时隙需求，以均匀分布为目标按需分配各空中平台的基础时隙，然后执行空分复用时隙分配，按照调度增益从大到小的顺序，优先调度总时隙需求未满足的空中平台，再调度已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较低的空中平台，依次选择空中平台进行空分复用条件判决，为每个空中平台选择合适的时隙进行空分复用，生成时隙分配结果，将时隙分配消息动态分发至各地面站点，各地面站点解析时隙分配结果，依据信息交互流程转发至各空中平台，各空中平台解析时隙分配结果。
2.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：空中平台包含按信息源模块、协议处理模块和无线传输模块顺次串联的三个功能模块，其中，协议处理模块包括定位单元、队列缓存单元、需求评估单元及无线信道接入控制单元；无线传输模块包含无线发送单元和无线接收单元；信息源产生和接收特定格式和优先级的消息发送到协议处理模块，定位单元提供本平台的实时位置信息，将生成的空中平台位置消息发送至队列缓存单元；队列缓存单元接收并缓存来自信息源的待发送消息、定位单元的平台位置消息和需求评估单元的时隙需求消息，并向需求评估单元提供不同优先级的消息到达情况和队列缓存情况，在本平台发送时隙将指定消息发送至无线信道接入控制单元；需求评估单元接收队列缓存单元提供的消息到达情况和队列缓存情况，获取来自无线信道接入控制单元的时帧结构和时隙传输能力信息，以时帧为周期评估本平台的时隙需求，生成时隙需求消息，并发送至队列缓存单元；无线信道接入控制单元根据时隙分配结果确定发送时隙与接收时隙，在发送时隙获取来自队列缓存单元的消息并发送至无线发送单元，在接收时隙获取来自无线接收单元的消息并发送至队列缓存单元进行消息接收处理。
3.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：地面站点包含地面站点信息源、地面站点协议处理模块、地面站点无线传输模块和地面站点有线传输模块四个功能模块，其中，地面站协议处理模块包含地面站点定位单元、地面站点队列缓存单元、地面站点有线信道接入控制单元及无线信道接入控制单元，地面站点无线传输模块包含地面站点无线发送单元和地面站点无线接收单元；地面站点有线传输模块包含地面站点有线发送单元和地面站点有线接收单元。
4.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：地面站点信息源将产生和接收的特定格式和优先级的消息发送给地面站协议处理模块，地面站点定位单元提供本站点的实时位置信息，生成站点位置消息，并发送至地面站点队列缓存单元；地面站点队列缓存单元接收并缓存来自地面站点信息源的待发送消息、地面站点定位单元的站点位置消息，根据地面站点有线信道接入控制单元调度，将消息发送至地面站点有线信道接入控制单元，根据无线信道接入控制单元调度，将消息发送至无线信道接入控制单元；地面站点有线信道接入控制单元根据有线网络信道接入控制规则，在发送时刻，获取来自地面站点队列缓存单元的消息并发送至地面站点有线发送单元，在接收时刻，来自地面站点有线接收单元的消息并发送至地面站点队列缓存单元进行消息接收处理；无线信道接入控制单元根据时隙分配结果确定发送时隙与接收时隙，在发送时隙获取来地面站点自队列缓存单元的消息并发送至地面站点无线发送单元，在接收时隙获取来自地面站点无线接收单元的消息并发送至队列缓存单元进行消息接收处理。
5.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：网络管理站包括：与有线网络传输模块相连的网络管理模块两个功能模块；网络管理模块包含需求汇聚单元、空分复用评估单元、时隙分配单元和网络队列缓存单元；有线网络传输模块包含有线网络接收单元和有线网络发送单元；需求汇聚单元从网络队列缓存单元获取由地面站点转发的来自空中平台的时隙需求信息；空分复用评估单元从网络队列缓存单元获取来自地面站点的平台位置信息和空中平台接收电平信息，以及由地面站点转发的来自空中平台的平台位置信息，并根据各地面站点的平台位置、各空中平台的平台位置、地面站点接收各空中平台的接收信号电平与波束增益，以及时隙分配情况进行空分复用条件；对每个时隙依据平台位置信息、接收信号电平信息和波束增益信息进行空分复用条件判决；将判决结果送入时隙分配单元，时隙分配单元根据需求汇聚结果和空分复用条件判决结果进行时隙空分复用分配，生成时隙分配消息，并发送至网络队列缓存单元；网络队列缓存单元接收并缓存来自时隙分配单元的时隙分配消息、有线网络信道接入控制单元的消息；有线网络信道接入控制单元根据有线网络信道接入控制规则，在发送时刻获取来自网络队列缓存单元的消息并发送至有线网络发送单元，在接收时刻获取来自有线网络接收单元的消息并发送至网络队列缓存单元进行消息接收处理。
6.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：在由空中平台、地面站点和网络管理站组成的多站多机空地下行链路的信息交互流程中，空中平台的需求评估单元评估本平台的时隙需求，生成时隙需求消息，发送至队列缓存单元，并转入更新平台位置；空中平台的定位单元更新本平台的实时位置，生成平台位置消息，发送至队列缓存单元，并转入消息发送；空中平台的队列缓存单元根据无线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时隙通过无线发送单元向地面站点分发本平台时隙需求消息及平台位置消息，转入步骤303地面站点接收消息；地面站点的无线接收单元接收来自空中平台的消息，检测本站点接收各空中平台的信号接收电平，生成信号接收电平消息，发送至队列缓存单元；将接收到的各空中平台的时隙需求消息及平台位置消息发送至队列缓存单元，转入发送消息；地面站点的队列缓存单元根据有线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时刻通过有线发送单元向网络管理站转发空中平台的时隙需求和接收电平信息，以及本平台与空中平台的位置信息，转入网络管理站接收消息；网络管理站的有线接收单元接收地面网消息，汇聚空中平台的时隙需求与接收电平信息及全部平台的平台位置信息，通过有线信道接入控制单元发送至队列缓存单元，转入步骤306时隙分配；网络管理站的需求汇聚单元从队列缓存单元获取由地面站点转发的来自空中平台的时隙需求信息，空分复用评估单元从队列缓存单元获取来自地面站点的平台位置信息和空中平台接收电平信息以及由地面站点转发的来自空中平台的平台位置信息，时隙分配单元根据需求汇聚单元的需求汇聚结果和空分复用评估单元的空分复用条件判决结果进行时隙空分复用分配，生成时隙分配消息，并发送至队列缓存单元，转入发送消息；网络管理站的队列缓存单元根据有线信道接入控制单元的调度，在本平台发送时刻通过有线发送单元向各地面站点发送时隙分配消息，转入地面站点接收消息；地面站点的有线接收单元接收地面网消息，将时隙分配消息发送队列缓存单元；队列缓存单元解析时隙分配结果后，将时隙分配结果发送至无线信道接入控制单元，并通过无线发送单元将时隙分配消息转发至各空中平台，转入空中平台接收消息；空中平台的无线接收单元接收消息，将时隙分配消息发送至队列缓存单元；队列缓存单元解析时隙分配结果，结束信息交互流程。
7.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：在空中平台的时隙需求评估流程中，空中平台以时帧为周期进行时隙需求评估，队列缓存单元统计上一时帧内各优先级q消息的平均到达率Aq，单位为字节/秒，优先级取值范围为1～Q，优先级1为最高优先级，优先级Q为最低优先级，并发送至需求评估单元，转入计算缓存数据量；空中平台的队列缓存单元计算队列缓存的各优先级消息的数据量Dq，单位为字节，发送至需求评估单元，并转入确定发送速率；空中平台的需求评估单元接收各优先级消息的平均到达率信息，从无线信道接入控制单元获取本平台的时隙传输能力R，单位为字节/时隙，并转入确定优先级门限；空中平台的需求评估单元根据初始加载信息确定需要基础保障的优先级等级门限Qth，转入评估时隙需求；空中平台的需求评估单元从队列缓存单元获取各优先级q的消息平均到达率Aq和缓存数据量Dq，计算本平台需求的基础时隙数
和总时隙数/>
其中，
表示向上取整，Kq表示要求在Kq个时帧内发送完当前缓存的优先级q的消息，TF表示一个时帧的时间，单位为秒。
8.如权利要求1所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：在网络管理站的时隙分配流程中，时隙分配单元为各空中平台选择主用地面站点和辅助地面站点，统计基础时隙需求，地面站点的选择算法提取全部地面站点的平台位置信息；按照平台地址从小到大的顺序依次提取各空中平台i的平台位置信息；从全部地面站点中选择与空中平台i的距离最近和次近的地面站点分别作为该平台的主用地面站点Mi和辅助地面站点Si。
9.如权利要求8所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：需求汇聚单元统计空中平台的全部基础时隙需求，转入时隙数比较；需求汇聚单元判断全部基础时隙需求是否大于单时帧时隙数；若为“是”，则转入步骤504时隙需求排序；否则，转入时隙需求调整；需求汇聚单元等比例调整各空中平台k的基础时隙需求Nbase(k)：
其中/>
表示向上取整，并转入步骤504时隙需求排序；时隙分配单元从需求汇聚单元获取各空中平台的基础时隙需求和总时隙需求，对各空中平台按基础时隙需求从小到大的顺序进行排序，并开始基础时隙分配；时隙分配单元逐一提取各空中平台k的基础时隙需求，转入提取空闲时隙；时隙分配单元提取当前时帧的空闲时隙索引号，构建空闲时隙向量VF，转入空闲时隙分段；时隙分配单元对空闲时隙向量VF按平台k的基础时隙需求进行分段，按照时隙索引号从小到大划分为Nbase(k)段，并转入基础时隙分配；时隙分配单元初始化Xk为Nslot维的全0向量，时隙分配单元从空闲时隙向量的各分段中提取索引号最小的时隙t分配给平台k，设置Xk(t)＝1，完成基础时隙分配判断；时隙分配单元初始化各空中平台k的调度增益，转入逐时隙分配；调度增益定义为
其中，Xk(t)表示平台k是否占用时隙t，取值为0表示未占用，取值为1表示占用，第一项表示总时隙需求未满足的平台具有较高的调度增益，第二项表示已分配时隙数目与总需求时隙数目的比例较高的平台具有相对较低的调度增益。
10.如权利要求9所述的站多机空地下行链路时隙空分复用分配系统，其特征在于：时隙分配单元从时隙0到时隙Nslot-1逐时隙进行时隙分配，转入步骤512调度增益排序；时隙分配单元依据各空中平台的调度增益从大到小的顺序进行排序，转入逐平台分配；时隙分配单元逐一为各空中平台计算当前时隙的时隙分配，转入计算空分复用条件；时隙分配单元向空分复用评估单元输入待分配平台及当前时隙已分配平台的平台位置及接收电平信息，由空分复用评估单元完成空分复用条件判决后反馈至时隙分配单元，转入空分复用条件判断；时隙分配单元判断该平台在当前时隙是否满足空分复用条件；若为“是”，则转入该平台分配时隙；否则，转入步骤517全部空中平台完成分配判断；时隙分配单元将当前时隙t分配给该平台k，设置Xk(t)＝1，转入步骤517全部空中平台完成分配判断；时隙分配单元判断是否所有平台在当前时隙的分配已完成；若为“是”，则转入更新调度增益；否则，提取下一空中平台；时隙分配单元根据最新时隙分配结果更新各空中平台的调度增益Pk，转入全部时隙完成分配判断；时隙分配单元判断是否所有时隙的分配已分成；若为“是”，则结束时隙分配流程；否则，转入步骤511提取下一时隙。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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